Klasse10 - Sächsische Physikolympiade

17. Sächsische Physikolympiade
1. Stufe
Klassenstufe 10
Aufgabe 171011– Weihnachtabastelei
Die Weihnachtszeit naht. Physli möchte für Physline einen Fensterschmuck aus Leuchtdioden
basteln. Dazu hat er 5 Leuchtdioden, verschiedene Widerstände und ein Netzteil mit einer
Spannung von 6,0 V und wählbarem Gleich- oder Wechselstrom zur Verfügung. Physli möchte
die 5 Leuchtdioden auf den Kanten eines Quadrates und einer Diagonale anordnen. Die Anschlüsse an die Spannungsquelle sollen an zwei diagonal gegenüber liegenden Eckpunkten des
Quadrats liegen.
a) Entwirf einen Schaltplan mit höchstens 3 Vorwiderständen und den 5 Leuchtdioden.
Kennzeichne die Polarität der Anschlüsse für den Betrieb mit Gleichstrom.
Für den Profi: Entwirf einen Schaltplan mit 2 Vorwiderständen und den 5 Leuchtdioden.
Kennzeichne die Polarität der Anschlüsse für den Betrieb mit Gleichstrom. (Zusatzpunkt)
b) Berechne für deinen Schaltungsentwurf die Werte der Vorwiderstände, so dass jede
Leuchtdiode optimal bei 2,1 V und 20 mA leuchtet.
c) Berechne die elektrische Leistung der Schaltung.
d) Physline freut sich riesig über die kleine Aufmerksamkeit, wünscht sich allerdings nach
drei Tagen für Silvester ein Upgrade“ auf insgesamt 10 Leuchtdioden.
”
Wie könnte Physli das Problem mit minimalem Aufwand ohne Veränderung der bereits
verwendeten Vorwiderstände lösen?
e) Wie verändert sich durch die Modifikation die Leistung? Begründe!
Aufgabe 171012– Das rutschende Seil
Bei der Renovierung von Physlis Bungalow ist ein Seil auf dem Flachdach liegen geblieben,
dass zum Teil über die Kante hängt. Physli möchte untersuchen unter welchen Bedingungen
das Seil vom Dach rutscht.
Dazu legt er ein Seil der Gesamtlänge l auf einen Tisch. Ein Ende des Seils hängt über die
Tischkante. Zwischen Seil und Tisch wirkt eine Haftreibungskraft mit der Haftreibungszahl
µH . Es wirkt eine Zugkraft auf das Seil, die von der Länge des hängenden Seilendes abhängt.
Verein zur Förderung der Sächsischen Physikolympiade
l1
l2
a) Gib an, welche Bedingung die Teillängen l1 und l2 erfüllen müssen, so dass das Seil vom
Tisch zu rutschen beginnt.
b) Die Haftreibungszahl beträgt µH = 0,49. Berechne, wie lang das Seil sein muss, damit
es nicht alleine von einem 74 cm hohen Tisch rutschen kann.
c) Die Gleitreibungszahl beträgt µG = 0,47. Das Seil auf dem Dach hat eine Gesamtlänge
von 1,55 m und hängt 0,6 m über die Dachkante. Berechne die Anfangsbeschleunigung
bei t = 0 s.
d) Zeige, dass die Beschleunigung, die das Seil erfährt nicht von seiner Gesamtmasse
abhängt, wenn diese gleichmäßig über die Länge des Seils verteilt ist.
e) Begründe, dass die Beschleunigung nicht konstant ist, während das Seil vom Tisch
rutscht.
f) Das Bungalowdach befindet sich in 3 m Höhe. Die Beschleunigung a(t), die Geschwindigkeit v(t), und die überhängende Seillänge l2 (t) des hängenden Seilstücks können
stückweise nach den Zeitschritten ∆ t mit rekursiven Zahlenfolgen berechnet werden. Es
gelten die Formeln:
tn+1 = tn + ∆t,
g(l2|n − µG (l − l2|n ))
,
an+1 =
l
vn+1 = an · ∆t + vn ,
an
l2|n+1 = ∆t2 + vn · ∆t + l2|n
2
t0 = 0 s
l20 = 0,60 m
v0 = 0 m/s
Lege eine Wertetabelle für die zeitliche Entwicklung der Größe an. Wähle den Zeitschritt
∆t selbst. Zeichne das a(t)-Diagramm im Intervall von 0 bis 1,3 s.
Hinweis: Du kannst deinen GTR oder ein Tabellenkalkulationsprogramm benutzen.
Verein zur Förderung der Sächsischen Physikolympiade
Aufgabe 171013– Auf den Kern kommt es an
Physli hat in der Zeitung einen Artikel über die erhöhte Strahlenbelastung in sächsischen
Kellern durch austretendes Radongas gelesen. Nun möchte Physli selbst entsprechende Untersuchungen durchführen. Lade dir dazu bereits aufgezeichnete Messwerte herunter:
http://roboter.mcg-dresden.de/kram/nulleffekt.xlsx
http://roboter.mcg-dresden.de/kram/zerfallskurve.xlsx
Die erste Datei enthält eine Messreihe in der die Werte der Nullratenmessung verzeichnet sind.
Dabei wurden mit einem Geigerzähler für jeweils 60 s die Anzahl der registrierten Zerfälle in
Physlis Kinderzimmer ermittelt. Diese Messung wurde über fast 24 Stunden durchgeführt.
Die zweite Datei enthält eine Messreihe zur Aktivitätsmessung an Zerfallsprodukten in Physlis Keller. Dazu hat Physli einen Luftballon aufgeblasen, durch Reibung an einem Wolltuch
elektrostatisch aufgeladen und an einem Holzstab für 20 Minuten im schlecht gelüfteten und
trockenen Keller aufgehängt. Da die radioaktiven Zerfallsprodukte in der Regel elektrisch geladen sind, sammeln sie sich auf der geladenen Ballonhaut. Nun wurde die Luft aus dem Ballon
gelassen und mit einem Geigerzähler untersucht.
a) Öffne die Datei zur Nullratenmessung in einem Tabellenkalkulationsprogramm. Ermittle
die Häufigkeit der einzelnen Zählraten mit Hilfe der ZählenWenn-Funktion und stelle die
Häufigkeitsverteilung der Zählraten in einem Balkendiagramm grafisch dar. Achte auf
korrekte Achsenbeschriftungen. Drucke das Diagramm aus und füge es deinen Unterlagen
hinzu. Interpretiere das Diagramm und gib die Nullrate an.
b) Öffne die Datei zur Zerfallsmessung. Subtrahiere die Nullrate von den Messwerten und
stelle die gemessene Aktivität in Abhängigkeit von der Zeit grafisch dar. Drucke das
Diagramm aus und füge es deinen Unterlagen hinzu.
c) Ermittle eine geeignete mathematische Funktion, die das Verhalten der Zählrate in
Abhängigkeit von der Zeit beschreibt. Beschreibe Dein Vorgehen und gib die Halbwertszeit an.
d) Um herauszufinden welche Zerfälle tatsächlich beobachtet wurden, schaut sich Physli die
Zerfallsreihe von U238 an und vergleicht die ermittelte Halbwertszeit mit den tabellierten
Werten. Um welche Zerfallsprodukte könnte es sich gehandelt haben? Begründe.
e) Führe nun selbst eine entsprechende Messung aus. Dokumentiere deine Vorgehensweise
und prüfe, ob du eine erhöhte Aktivität in deinem Keller nachweisen kannst.
Du benötigst einen trockenen und wenig gelüfteten Kellerraum und einen Luftballon. Für
die Messung der Zählraten kannst du deinen Physiklehrer bitten dir in der Schule einen
Geigerzähler zur Verfügung zu stellen. In diesem Fall ist es sinnvoll einen geeigneten
Kellerraum der Schule für die Messung zu nutzen.
Alternativ kannst du auf einem Smartphone mit Kamera die kostenpflichtige App Ra”
dioactivityCounter“ installieren. Eine Beschreibung der Vorgehensweise findest du unter
Verein zur Förderung der Sächsischen Physikolympiade
folgender URL: http://www.hotray-info.de/html/radioactivity.html
Hinweise zur Nutzung der App:
• Auf dieser Seite finden sich Einstellungen für die verschiedenen Handymodelle:
http://www.hotray-info.de/html/radioa_data.html
• Um die Empfindlichkeit des Sensors nicht zu stark einzuschränken, sollte nicht der
Sensor abgeklebt werden, sondern der kontaminierte Ballon direkt auf die Kamera
gelegt und das ganze in einen lichtdichten Karton verpackt werden.
• Lade vor der Messung den Akku des Gerätes vollständig auf oder verbinde das
Mobiltelefon während der Messung mit dem Netzteil.
Verein zur Förderung der Sächsischen Physikolympiade